Universität zu Köln

Hackl, Andreas (2009). Quantum criticality and non-equilibrium dynamics in correlated electron systems. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In this thesis, several cases of non-equilibrium phenomena and quantum phase transitions in strongly correlated electron systems are analyzed. The unconventional critical behavior near magnetic quantum phase transitions in various heavy-fermion metals has triggered proposals on the breakdown of the Kondo effect at the critical point. In part I, we investigate, within one specific scenario, the fate of such a zero-temperature transition upon coupling of the electronic to lattice degrees of freedom. We study a Kondo-Heisenberg model with volume-dependent Kondo coupling � this model displays both Kondo volume collapse and Kondo-breakdown transitions. Within a large-N treatment, we find that the Kondo breakdown transition remains of second order except for very soft lattices. Finally, we relate our findings to current heavy-fermion experiments. Using non-equilibrium Green�s functions, we derive transport equations for the degrees of freedom participating in the quantum critical region of the Kondo breakdown transition. We discuss conditions under which the transport of electrical charge is described by the independent motion of conduction electrons and auxiliary bosons. Under these conditions, we derive a semiclassical transport equation for the bosons and quantitatively discuss the electrical conductivity of the whole system. Motivated by pressure experiments on FeAs-122 superconductors, in part II we propose a scenario based on local-moment physics to explain salient features at the magnetic phase boundary of CaFe2As2. In this scenario, the low-pressure magnetic phase derives from Fe moments, which become screened in the paramagnetic high-pressure phase. The quantum phase transition can be described as an orbital-selective Mott transition, which is rendered first order by coupling to the lattice. These ideas are illustrated by a suitable mean-field analysis of an Anderson lattice model. An analytical description of non-equilibrium phenomena in interacting quantum systems is rarely possible. In part III we present one example where such a description can be achieved, namely the ferromagnetic Kondo model. In equilibrium, this model is tractable via perturbative renormalization-group techniques. We employ a recently developed extension of the flow-equation method to calculate the non-equilibrium decay of the local magnetization at zero temperature. The flow equations admit analytical solutions which become exact at short and long times, in the latter case revealing that the system always retains a memory of its initial state. Finally, in part IV we analyze the Nernst effect resulting from normal state quasiparticles in the cuprates in presence of various types of translational symmetry breaking. In the electron-doped cuprates, the Nernst signal resulting from a reconstruction of the Fermi surface due to spin density wave order is discussed. An order parameter consistent with the reconstruction of the Fermi surface detected in electron-doped materials is shown to sharply enhance the Nernst signal close to optimal doping. Within a semiclassical treatment, the obtained magnitude and position of the enhanced Nernst signal agrees with Nernst measurements in electron-doped cuprates. In the hole-doped cuprates, we discuss relations between the normal-state Nernst effect and stripe order. We find that Fermi pockets caused by translational symmetry breaking lead to a strongly enhanced Nernst signal with a sign depending on the modulation period of the ordered state and other details of the Fermi surface. This implies differences between antiferromagnetic and charge-only stripes. We compare our findings with recent data from La1.6−xNd0.4SrxCuO4 and YBa2Cu3Oy.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Quantenkritikalität und Nichtgleichgewichtsdynamik in Systemen stark korrelierter Elektronen German
Translated abstract:	Abstract Language In dieser Dissertation werden verschiedene Nichtgleichgewichts-Phänomene und Quantenphasenübergänge in Systemen stark korrelierter Elektronen untersucht. Das ungewöhnliche kritische Verhalten nahe magnetischer Quantenphasenübergänge in verschiedenen Schwerfermionen-Systemen verursachte mehrere Vorschläge bzgl. eines Zusammenbruchs des Kondoeffektes am quantenkritischen Punkt. Im ersten Teil dieser Arbeit werden innerhalb eines bestimmten Szenarios Veränderungen dieses Quantenphasenüberganges durch Kopplung der elektronischen Freiheitsgrade an die Gitterfreiheitsgrade untersucht. Wir untersuchen ein Kondo-Heisenberg-Modell mit volumenabhängiger Kondokopplung � dieses Modell zeigt sowohl sogenannte Kondo-Volumen-Kollaps als auch Kondo-Zusammenbruch-Übergänge. Innerhalb des Grenzfalles großer orbitaler Entartung N finden wir, dass der Kondo-Zusammenbruch-Übergang ein Phasenübergang zweiter Ordnung bleibt, ausser im Grenzfall weicher Gitter. Diese und weitere Ergebnisse werden schließlich in Beziehung zu aktuellen Experimenten an Schwerfermionen-Systemen gesetzt. Unter Verwendung von Nichtgleichgewichts-Greenschen Funktionen leiten wir Transportgleichungen für die an der quantenkritischen Region des Kondo-Zusammenbruch-Übergangs beteiligten Freiheitsgrade ab. Wir diskutieren Bedingungen, unter welchen der Transport elektrischer Ladung durch die unabhängige Bewegung von Leitungselektronen und bosonischen Hilfsteilchen beschreibbar ist. Unter diesen Bedingungen leiten wir eine semiklassische Transportgleichung für die Bosonen ab und diskutieren quantitativ die elektrische Leitfähigkeit des Gesamtsystems. Motiviert durch Druckexperimente an Supraleitern der FeAs-122 Familie, schlagen wir in Teil II eine auf lokale-Momente-Magnetismus basierende Theorie vor, um auffällige Eigenschaften der magnetischen Phasengrenze von CaFe2As2 zu erklären. In diesem Szenario entsteht die magnetische Phase bei tiefen Drücken durch die lokalen Momente von Eisen, welche in der paramagnetischen Hochdruckphase abgeschirmt sind. Der Quantenphasenübergang kann als orbital-selektiver Mott-Übergang beschrieben werden, welcher durch die Gitterkopplung zu einem Phasenübergang erster Ordnung wird. Diese Ideen werden anhand einer geeigneten mean-field Theorie eines Anderson-Gitter-Modells erörtert. Eine analytische Beschreibung von Nichtgleichgewichtsphänomenen in wechselwirkenden Quantensystemen ist selten möglich. In Teil III dieser Arbeit präsentieren wir als Beispiel für solch eine Beschreibung das ferromagnetische Kondomodell. Im Gleichgewicht ist dieses Modell mittels perturbativer Renormierungsgruppen-Techniken behandelbar. Wir benutzen eine jüngst entwickelte Erweiterung der Flußgleichungsmethode, um den zeitlichen Zerfall der lokalen Magnetisierung am Temperaturnullpunkt zu berechnen. Die Flußgleichungen ermöglichen analytische Lösungen, welche im Grenzfall kurzer und langer Zeiten exakt werden. Im letzteren Fall offenbart sich, dass das System stets ein Gedächtnis von seinem Anfangszustand behält. In Teil IV untersuchen wir den Nernsteffekt im normalleitenden Zustand von Kupraten unter Anwesenheit verschiedener Verletzungen der Translationssymmetrie des Gitters. In den elektrondotierten Kupraten untersuchen wir den Einfluss einer Fermiflächenrekonstruktion durch Spindichtewellenordnung auf das Nernstsignal. Es wird gezeigt, dass ein mit der in elektrondotierten Materialien beobachteten Fermiflächenrekonstruktion konsistenter Ordnungsparameter das Nernstsignal nahe optimaler Dotierung stark verstärkt. Innerhalb einer semiklassischen Beschreibung wird gezeigt, dass Position und Amplitude des verstärkten Nernstsignals mit experimentellen Messsungen an elektrondotierten Kupraten übereinstimmt. In den lochdotierten Kupraten diskutieren wir Beziehungen zwischen dem Nernsteffekt im normalleitenden Zustand und Streifenordnung. Wir zeigen, dass durch Brechung der Translationssymmetrie verursachte Taschen in der Fermifläche zu einem stark erhöhten Nernstsignal führen, mit einem Vorzeichen welches von der Modulationsperiode des geordneten Zustands und anderen Details der Fermifläche abhängt. Diese Eigenschaften lassen auf Unterschiede zwischen Spin-Streifenordnung und Ladungsstreifenordnung schließen. Wir vergleichen unsere Befunde schließlich mit jüngsten Experimenten an La1.6−xNd0.4SrxCuO4 und YBa2Cu3Oy. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hackl, Andreas ah@thp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-30459
Date:	2009
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Quantum many body systems, quantum criticality, non-equilibrium physics English
Date of oral exam:	26 November 2009
Referee:	Name Academic Title Vojta, Matthias Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3045